原创 斯特林制冷原理

1816年斯特林提出了一种由两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，称为斯特林循环，也称为定容回热循环。

　　图1表示了理想的斯特林循环示意图。 制冷机由回热器R、冷却器A、冷量换热器C及两个气缸和两个活塞组成。左面为膨胀活塞，右面为压缩活塞。两个气缸与活塞形成两个工作腔：冷腔（膨胀腔）Vc0和室温（压缩）腔Va，由回热器R连通，两个活塞作折线式间断运动。假设在稳定工况下，回热器中已经形成了温度梯度，冷腔保持温度Tc0，室温腔保持温度Ta，如图1a所示。从图1b、c中的状态1开始，压缩活塞和膨胀活塞均处于右止点。气缸内有一定量的气体，压力为P1，容积为V1，循环所经历的过程如下：

(a)结构示意图　　　　　　　(b)活塞运动示意　　　　　　(c)压容图与温熵图
图1 斯特林制冷循环的工作过程

斯特林制冷循环活塞活动动画演示

　　等温压缩过程1－2：压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动。气体被等温压缩，压缩热经冷却器A传给冷却介质（水或空气），温度保持恒值Ta，压力升高到P2，容积减小到V2。

　　定容放热过程2－3：两个活塞同时向左移动，气体的容积保持不变，直至压缩活塞到达左止点。当气体通过回热器R时，将热量传给填料，因而温度由Ta降低到Tc0，同时压力由P2降低到P3。

　　等温膨胀过程3－4：压缩活塞停止在左止点，而膨胀活塞继续向左移动，直至左止点，温度为Tc0的气体进行等温膨胀，通过冷量换热器 C 从低温热源（冷却对象）吸收一定的热量Qc0（制冷量）。容积增大到V4而压力降低到P4。

　　定容吸热过程4－1：两个活塞同时向右移动直至右止点,气体容 积保持不变, V1=V4，回复到起始位置。当温度为Tc0的气体流经时从回热器R填料吸热，温度升高到T1，同时压力增加到P1。4－1过程，气体吸收的热量等于2－3过程气体所放出的热量。
　　
　　循环中3－4过程是制冷过程，理论制冷量等于膨胀功
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　过程1－2是放热过程，理论放热量等于压缩功
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　由于回热过程2－3和4－1中的换热量属于内部换热，与整个循环的能量消耗无关，故循环消耗的功等于压缩功与膨胀功之差
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　由此可求出循环的理论性能系数等于同温限下卡诺循环的性能系数
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　由以上描述可知，理想斯特林循环要求活塞作折线式的间断运动，如图2b中虚线所示，这是难以实现的。有几种结构可以近似地实现连续斯特林制冷循环。例如，图2a所示的曲柄连杆机构带动的双活塞结构，通常作为热力分析的基本形式。图2b表示了当曲轴以匀角速度转动时两工作腔容积变化曲线（实线），该活塞的运动是简谐运动。可见活塞作简谐运动时的容积变化与理想折线式的容积变化是近似的，因而能够近似实现斯特林制冷循环。但必须使冷腔的容积变化Vc0超前于室温腔Va，其相位差为φ。如图示情况ф＝90°（两气缸中心线夹角β=90°）。在活塞作简谐运动的情况下，循环的P－V图变成一个连续变化的光滑曲线（见图3）

　　　　　
图2 活塞简谐运动情况下斯特林制冷循环原理图
（a）曲柄连杆机构驱动的双活塞结构，Vco超前于Va　　　　　　　 （b）活塞做简谐运动时的容积变化规律

　　在工作过程中，工质分布在冷腔、室温腔和死容积（不变的容积）内的，这三部分容积之和为总容积V。图3是冷腔和室温腔的P－V图。冷腔的P－V图是顺时针方向，说明该腔中气体膨胀作功，故该腔又称膨胀腔。室温腔的P－V图是逆时针，说明该腔内气体吸收功而被压缩。在制冷机的情况下，室温腔大于冷腔。两幅图中曲线所围的面积分别是两个腔内的气体所作的功或者所吸收的功，两者之差为制冷机所消耗的理论功。在等温膨胀和压缩的情况下， P－V图的封闭面积则分别代表冷腔气体所吸收的热量和室温腔气体所排出（向冷却器）的热量。

　　斯特林循环的工质在室温腔、冷却器、回热器、冷量换热器和冷腔等部分来回交变流动，而气体总量不变，所以是闭式循环。

（a）冷腔　　　　　（b）室温腔　　　　（c）总工作容积
图3 斯特林制冷机的P－v图

　　斯特林制冷机是小型低温制冷机中研究最深入、应用最广泛、发展最成熟、变型最多的一种，特点是结构紧凑、工作温度范围宽、起动快、效率高、操作简便。

　　斯特林制冷机的发展变化主要有以下几方面：1）制冷温度从普冷到深冷，最低温度达到3K；冷量同时向微型（毫瓦级）和大型（46.8Kw）发展；3）发展了多缸制冷机；4）由单级发展到多级，已有5级制冷机出现；5）从单作用发展到多作用式制冷机；6）从整体式发展到分置式；7）发展了多种驱动方式。如曲柄－连杆机构、摇盘驱动、斜盘驱动、菱形驱动、液压驱动、电磁驱动、气动等；8）形式多样，如双活塞式、推移活塞式、平行排列、角形排列、同轴排列等。

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